煤轉(zhuǎn)化過程中灰的熔融特性與煤中礦物質(zhì)的變遷規(guī)律.pdf

1、由于形成條件、煤化程度以及開采過程的差別造成了煤中無機(jī)組分和礦物質(zhì)的組份繁多且復(fù)雜。不同的煤樣及不同的煤轉(zhuǎn)化利用方式會(huì)造成不同的灰熔融特性。在煤燃燒氣化技術(shù)中，灰熔融特性對(duì)灰粒團(tuán)聚、換熱器積灰和管壁結(jié)渣等一系列現(xiàn)象有決定性影響，并直接決定著排渣方式的選擇，是影響煤燃燒和氣化過程的一個(gè)重要因素。
　　本課題選用四種明顯礦物組分差異的褐煤：高硅的王家塔，高硫的伊犁，高鋁的不連溝及高堿的鄂爾多斯。在不同的燃燒和氣化條件下制備和分析灰樣，

2、考察工藝條件及添加劑的影響，表征分析元素、組成、微觀形貌結(jié)構(gòu)和成灰過程中礦物質(zhì)遷移的研究路線，并基于此考察剖析煤燃燒氣化過程中煤灰熔融特性及其中的礦物質(zhì)變遷規(guī)律，特別是鉀元素遷移機(jī)理。主要的研究工作及結(jié)果如下：
　　1）考察分析了燃燒條件下溫度、碳酸鉀、氣氛、停留時(shí)間等不同工藝參數(shù)下的制備灰樣，獲得了煤灰的燒結(jié)特性、微觀形貌結(jié)構(gòu)、元素組成及煤中礦物質(zhì)變遷。制灰方式上，采用低溫氧等離子體灰樣制備方法和傳統(tǒng)灰樣制備方法結(jié)合的方式系統(tǒng)地

3、獲得了從煤的本征礦物質(zhì)到高溫成灰后礦物質(zhì)一系列的變遷特性。
　　研究發(fā)現(xiàn)：碳酸鉀能在一定濃度范圍內(nèi)降低燒結(jié)溫度，但碳酸鉀對(duì)燒結(jié)溫度的影響主要依賴于其在煤樣中的濃度，煤樣的屬性及制灰方式。隨著制灰溫度的升高，各煤灰樣的燒結(jié)溫度是逐漸升高的，低溫或助熔礦物質(zhì)向相對(duì)高溫礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變。對(duì)比有無添加10％碳酸鉀的煤樣，灰樣本征助熔性礦物質(zhì)主要是單鉀芒硝；在中溫600°C里的灰樣助熔性礦物質(zhì)主要是三氧化二鐵和長石類礦物質(zhì)；高溫1500°C里灰樣

4、的助熔性礦物質(zhì)主要是鈉長石，鈣黃長石及含鉀礦物質(zhì)如鉀長石和鉀霞石。K、Ca、Fe元素有助于助熔性礦物質(zhì)的生成，從而觸發(fā)低溫共熔體的生成及燒結(jié)的發(fā)生。還原性水蒸氣和二氧化碳?xì)夥障拢坌运难趸F和鈣長石的生成是主要造成煤灰燒結(jié)溫度差異的原因。二氧化碳燒結(jié)氣氛下鐵元素以二價(jià)鐵存在并生成一些低溫共熔物。煤粒尺寸對(duì)燒結(jié)溫度的影響比較大但無明顯規(guī)律。隨著碳酸鉀，爐膛溫度或灰樣停留時(shí)間的增加，灰樣的燒結(jié)度逐漸加深。
　　2)研究了在碳酸鉀催

5、化氣化的條件下碳酸鉀和添加劑高嶺土，鋁土礦和碳酸鈣對(duì)煤灰燒結(jié)特性的影響，揭示了煤中的礦物質(zhì)與碳酸鉀及添加劑之間的化學(xué)反應(yīng)及礦物變遷，從礦物學(xué)角度揭示了添加劑對(duì)碳酸鉀催化氣化效率影響的內(nèi)因。研究發(fā)現(xiàn)，無論添加劑是耐熔的高嶺土、鋁土礦還是助熔的碳酸鈣，隨著催化劑K2CO3濃度增加到10%，煤灰燒結(jié)溫度逐漸降低。添有高嶺土的灰粒熔融部分主要是由含鉀化合物（鉀霞石和單鉀芒硝）組成；添有鋁土礦的灰粒熔融部分，除了含鉀化合物以外，還有四氧化三鐵；添

6、有碳酸鈣的灰粒熔融部分，主要是由鉀霞石和氧化鈣及含鈣長石礦物質(zhì)組成。煤灰隨著高嶺土或鋁土礦比例的增加，燒結(jié)溫度是逐步升高的。但是，隨著碳酸鈣比例的增加，燒結(jié)溫度是逐步降低的。碳酸鈣中鈣元素能優(yōu)先鉀元素與灰里的其他物質(zhì)反應(yīng)，從而保留鉀元素的催化氣化活性，而高嶺土或鋁土礦在添加后與鉀元素形成鉀霞石降低碳酸鉀的催化氣化活性。鋁土礦和高嶺土對(duì)煤灰的熔融特性，有很大的相似性。
　　3)考察分析了溫度，壓力，氣氛等參數(shù)對(duì)加壓煤催化氣化過程的煤

7、灰熔融特性及礦物質(zhì)變遷的影響。研究發(fā)現(xiàn)：無論在水蒸氣或 CO2氣氛加壓條件下，隨著溫度從700°C升高到850°C，灰粒的表面熔融及燒結(jié)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，Ca元素能優(yōu)先參與反應(yīng)并形成一些低溫熔融礦物質(zhì)。隨著碳酸鉀濃度的提高，灰粒表面形貌從不規(guī)則不熔的表面逐漸向熔融表面變化，灰粒之間的粘結(jié)團(tuán)聚也變的明顯。3.5MPa內(nèi)，氣化氣氛壓力越高，灰粒間的礦物質(zhì)更容易接觸反應(yīng)形成低溫共熔物并導(dǎo)致煤灰的熔融程度加深。不同氣氛下，在H2O氣氛下的灰粒熔融

8、程度比在CO2蒸汽氣氛下的稍微嚴(yán)重，因?yàn)?H2O蒸汽氣氛的還原性要比 CO2強(qiáng)，在K2O-Al2O3-SiO2-Fe-O共熔物中能使Fe3+/ΣFe這個(gè)比率更低。
　　4)提出了在煤燃燒及氣化過程中灰熔融燒結(jié)機(jī)理及幾種主要礦物元素的變遷機(jī)理，特別是鉀元素變遷機(jī)理。利用三元相圖原理探討煤灰中低溫共熔體的形成原因及灰熔融燒結(jié)機(jī)理，并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得灰中礦物質(zhì)對(duì)灰燒結(jié)特性的影響，揭示了低溫共熔體及易熔礦物質(zhì)的產(chǎn)生是灰熔融燒結(jié)的主要機(jī)理。灰里

9、的鉀離子遇熱后會(huì)遷移，然后被灰里其他礦物質(zhì)俘獲或吸附并發(fā)生反應(yīng)，最后鉀元素主要以含鉀的硅鋁酸鹽和含鉀硫酸化合物的形式存在，具體形式由鉀元素的濃度及所選煤中化學(xué)組成決定。在添加碳酸鉀高溫燃燒條件下，大部分硅元素以 Si-Al方式存在；硫元素通常以 Ca-S和Fe-S的形式存在；鋁元素能夠優(yōu)先結(jié)合鉀元素然后形成以鉀硅鋁酸鹽類礦物質(zhì)存在。
　　本文較系統(tǒng)地研究了煤燃燒和氣化過程中煤灰的燒結(jié)熔融特性和礦物質(zhì)變遷規(guī)律，取得了對(duì)流化床催化氣化